一、项目场景
智慧阀门物联平台广泛应用于食品加工、化工生产、智慧农业等对环境控制和生产流程自动化要求较高的场景。在食品加工领域，冷藏库、发酵室、烘干房等环节对温湿度的精准控制至关重要，该平台可确保食品在最佳环境下保存和加工，提升产品质量与生产效率。化工生产中，通过PLC控制柜实现对电磁阀门的精准控制，确保生产流程的稳定性和可靠性，降低人工误差与生产事故风险。智慧农业场景下，温室大棚、农田灌溉等环节需要实时监测温湿度、光照等参数并自动调节阀门，以保障作物的最佳生长环境，提高农业生产的智能化水平。
二、项目方向
本项目旨在打造一个高度智能化、自动化的智慧阀门物联平台，通过物联网技术实现对阀门的远程监控、精准控制与数据可视化，提升生产管理效率，降低运营成本，增强企业的市场竞争力。该平台将助力企业实现从传统生产模式向智能化生产的转型，提高生产过程的灵活性、可控性和稳定性，减少人为因素对生产过程的干扰，降低因人工操作失误导致的生产事故风险，为企业创造更大的经济效益和社会效益。同时，通过数据的实时采集与分析，企业能够更好地掌握生产过程中的关键参数变化趋势，为生产决策提供科学依据，推动企业向数字化、智能化方向发展。
三、项目技术流程
（一）设计方案
硬件选型与集成：选用高性能单片机作为核心控制器，具备强大的数据处理能力和稳定性，确保设备在复杂工业环境下长期稳定运行。配备高精度AHT20温湿度传感器，实现对环境温湿度的实时精准测量，测量误差控制在±2%以内，满足食品加工、化工生产等对环境要求严格的场景需求。内置RTC时钟模块，提供精确的时间信息，支持网络自动校准时间，确保设备时间的准确性，为定时任务的执行提供可靠的时间基准。采用4G全网通无线通讯模块，实现设备与云端服务器的稳定通信，网络覆盖率达到95%以上，即使在偏远地区也能保证设备的远程监控与配置功能正常运行。同时，设计多路继电器接口，可同时控制多台控制装置，满足多阀门控制的需求。
软件架构规划：基于微信小程序开发用户交互界面，提供便捷的设备控制与监控功能。小程序通过MQTT协议与单片机进行通信，实现设备状态的实时获取与控制命令的快速下发。后端部署MQTT服务器，负责消息的转发与设备认证，确保通信的安全性与可靠性。同时，建立云数据库，用于存储设备的历史数据与用户配置参数，支持数据的查询与分析，为用户提供丰富的数据可视化功能，帮助用户全面掌握生产过程中的关键参数变化趋势。
（二）架构设计
感知层：由高精度温湿度传感器AHT20组成，负责实时采集环境温湿度数据，并将其转换为电信号传输至单片机。传感器具备高精度、高可靠性和低功耗的特点，能够在各种复杂环境下稳定工作，确保采集数据的准确性和实时性。
传输层：采用4G全网通无线通讯模块，将感知层采集到的数据传输至云端服务器。4G通信模块具有覆盖范围广、传输速度快、稳定性高的优点，能够满足设备在不同地区、不同环境下的通信需求。同时，通过MQTT协议实现设备与云端服务器之间的高效通信，该协议具有轻量级、低带宽占用、高可靠性等特点，适合物联网设备之间的通信。
平台层：后端部署MQTT服务器，作为设备与用户之间的通信桥梁。服务器负责接收设备上传的数据，并将其转发至云数据库进行存储；同时，接收用户通过小程序发送的控制命令，并将其转发至对应的设备。云数据库采用分布式存储架构，具备高可用性、高可靠性和高扩展性，能够存储海量的设备数据和用户信息，支持数据的快速查询与分析。
应用层：基于微信小程序开发用户交互界面，提供设备控制、状态监控、数据可视化等功能。小程序界面简洁直观，操作便捷，用户可以通过手机随时随地查看设备的实时状态、历史数据，并进行远程控制与配置。同时，小程序支持数据可视化功能，以图表形式展示温湿度、阀门状态等数据的变化趋势，帮助用户更好地了解生产过程中的关键参数变化情况，为生产决策提供科学依据。
层级应用
四、技术方案
（一）硬件方案
| 具体内容 |
输入电压 | DC 5V～18V，适应性强，可在不同电压环境下稳定工作，降低因电压波动导致的设备故障风险。 |
接口保护 | 具备过流保护、过压保护、ESD防静电保护、防雷、防浪涌等功能，有效防止因外部环境因素对设备造成的损坏，提高设备的可靠性和稳定性。 |
温度范围 | -40℃～85℃，能够适应各种极端环境温度，确保设备在食品加工、化工生产等不同场景下的正常运行。 |
湿度范围 | 0～100%RH，满足高湿度环境下的使用需求，如发酵室、温室大棚等，保证设备在高湿度环境下的稳定性和准确性。 |
指示灯 | PWR指示灯用于显示设备电源状态，网络连接状态展示灯用于指示设备与云端服务器的通信状态，方便用户直观了解设备的运行情况。 |
温湿度传感器 | 自带高精度AHT20温湿度传感器，能够满足一般室内温湿度采集需求，测量精度高，响应速度快，为生产环境的精准控制提供可靠的数据支持。 |
RTC时钟模块 | 内置高精度RTC时钟，时间误差可做到毫秒级，并支持网络自动校准时间，确保设备时间的准确性，为定时任务的执行提供精确的时间基准，实现设备的自动化定时控制功能。 |
数据存储 | 支持掉电保存产品参数，避免设备突然断电导致的运行错乱和数据丢失问题，提高设备的可靠性和稳定性，确保设备在断电后能够快速恢复到正常工作状态。 |
继电器接口 | 设备共八路独立计时隔离型开关继电器，最多能满足八种不同的定时开关需求，满足多阀门控制的应用场景，提高设备的通用性和灵活性。 |
RS485接口 | 配备一个独立的RS485接口，可以满足定制的数据输入或输出需求，方便与其他设备进行通信和数据交互，实现更复杂的自动化控制系统。 |
安全功能 | 为防止突然断电导致的意外情况，可独立拓展UPS功能，短时间的设备掉电、断网不会导致设备异常，确保设备在突发情况下仍能正常工作，提高设备的可靠性和稳定性，降低因设备故障对生产过程造成的影响。 |
（二）软件方案
微信小程序
特点 | 描述 |
便捷性 | 无需下载安装，用户通过微信扫描或搜索进入，降低门槛，提高易用性和便捷性。 |
跨平台性 | 内嵌管理和配置界面，支持多种设备和操作系统，用户可使用安卓或苹果手机便捷地进行设备控制和管理。 |
功能丰富性 | 提供设备控制、状态监控、数据可视化等功能，支持远程控制与配置，条件控制和自动化控制，提升生产效率和产品质量。 |
MQTT协议
特点 | 描述 |
轻量级 | MQTT是一种轻量级的消息传输协议，具备占用带宽少、功耗低和高传输效率的优势。非常适合物联网设备之间的通信，能够高效实现设备与云端服务器之间的数据交互，从而降低通信成本并提高系统运行效率。 |
发布/订阅模式 | MQTT采用了发布/订阅模式，涉及三种角色：发布者、订阅者和代理服务器。发布者将消息发布至特定主题，订阅者可订阅该主题以获取相关消息，代理服务器负责消息的转发。这一模式支持一对多的消息发布与接收，提升了系统的通信效率与灵活性。在本项目中，单片机作为发布者发布设备状态信息，小程序作为订阅者从MQTT服务器获取这些信息，实现实时监控及远程控制。 |
通信流程 | 1. 消息发布：发布者将设备状态或控制命令消息发布到指定主题。 2. 消息订阅：订阅者向代理服务器请求订阅特定主题，代理服务器记录该信息。 3. 消息转发：代理服务器接收发布者消息后，将其转发给相关订阅者。 4. 数据处理：系统后台负责数据报文的解析、封装和转发，确保数据的准确性与完整性。 |
安全性 | 通过设备认证机制，确保只有经过授权的设备与用户能够进行通信与数据交互，有效防止非法访问与数据泄露，保障系统的通信安全与数据安全。 |
登录模块
特点 | 描述 |
鉴权功能 | 操作设备前必须进行用户鉴权，以确认使用小程序的用户为内部工人，防止非法访问带来的数据安全隐患。登录模块通过用户名和密码进行身份验证，确保只有经过验证的用户才能进入系统进行设备操作和管理，从而提高系统的安全性。 |
界面实现 | 登录界面设计简洁明了，用户只需输入用户名和密码即可完成登录操作。同时，模块支持用户注册功能，方便新用户创建账户并使用系统。确保用户体验简便。 |
信息校验 | 在用户登录过程中，系统对输入的信息进行严格校验，包括格式检查、密码强度检测等，确保账户安全，避免出现因输入错误而导致的安全风险。 |
控制模块
特点 | 描述 |
设备注册与管理 | 系统支持用户自行添加受支持的设备，用户可以通过扫描设备二维码或手动输入设备信息将设备添加到系统中。系统会自动检测设备状态并在小程序界面上显示，方便用户进行设备注册、启动和参数配置等管理操作。 |
多种控制逻辑 | 设备支持多种控制逻辑，用户可在详细配置页面根据实际需求调整配置参数，如温度、湿度、定时等条件，以实现阀门的自动化控制。例如，用户可设置当温度低于某个设定值且湿度高于某个设定值时自动开启阀门，或者根据定时设定定时开启或关闭阀门，满足不同场景下的生产需求。 |
界面实现 | 控制模块界面设计简洁直观，操作方便。用户可通过点击按钮或输入参数进行设备控制和配置，系统实时反馈设备状态和操作结果，确保用户清楚设备运行情况。同时，控制模块支持历史数据记录与查询功能，用户可查看设备历史操作记录和数据变化情况，提供生产管理和维护参考。 |
